(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔操作するための機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）であって、
複数のスレーブジョイント（１６、１７、１８、１９）により相互接続される複数のスレーブリンク（１１、１２、１３、１４）を有するスレーブ装置（１０）と、
前記スレーブ装置（１０）の遠位端に接続されるエンドエフェクタ（４０）と、
複数のマスタージョイント（２６、２７、２８、２９）により相互接続される対応する数のマスターリンク（２１、２２、２３、２４）を有するマスター装置（２０）と、
前記機械的遠隔操作装置を操作するための前記マスター装置（２０）の遠位端に接続されるハンドル（３０）と、
前記マスター装置（２０）の各マスタージョイント（２６、２７、２８、２９）に与えられる運動が、前記スレーブ装置（１０）の対応するスレーブジョイント（１６、１７、１８、１９）により再現されるように、前記スレーブ装置（１０）を前記マスター装置（２０）と運動学的に接続するように配置される第１の機械的伝達手段（６１、６２、６３、６４）と、
前記ハンドル（３０）に与えられる運動が前記エンドエフェクタ（４０）により再現されるように、前記エンドエフェクタ（４０）を前記ハンドル（３０）と運動学的に接続するように配置される第２の機械的伝達手段（６５、６６、６７）と、
前記機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）が作動される場合、前記スレーブ装置（１０）の対応するスレーブリンク（１４）が、誘導される前記マスターリンク（２４）の長手方向軸に平行な仮想軸（θ４）に沿って常に平行移動するように、前記マスター装置（２０）の１つのマスターリンク（２４）が、その長手方向軸（θ１）に沿って誘導されることを確保するように構成される機械的制限手段（３２）と、
を備え、
前記機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）が、前記マスター装置（２０）の誘導される前記マスターリンク（２４）を、その長手方向軸（θ１）周囲、ならびに第２の軸（θ２）および第３の軸（θ３）周囲で回転させることができるように構成され、誘導される前記マスターリンク（２４）の長手方向軸（θ１）ならびに第２の軸（θ２）および第３の軸（θ３）が、誘導される前記マスターリンク（２４）の配向とは独立して固定単一点（３２’）において互いに常に交差し、前記マスターリンク（２４）は、前記スレーブ装置（１０）の対応するスレーブリンク（１４）を、その長手方向軸（θ４）周囲、ならびに前記第２の軸（θ２）および第３の軸（θ３）のそれぞれに平行である第５の仮想軸（θ５）および第６の仮想軸（θ６）周囲で回転させることができ、前記対応するスレーブリンク（１４）の長手方向軸（θ４）ならびに前記第５の仮想軸（θ５）および第６の仮想軸（θ６）が、動作の遠隔中心（５０）において互いに常に交差し、前記スレーブ装置（１０）の複数の連結式のスレーブリンク（１１、１２、１３、１４）および対応するスレーブジョイント（１６、１７、１８、１９）により形成される鎖の運動学的モデルが、前記マスター装置（２０）の複数の連結式のマスターリンク（２１、２２、２３、２４）および対応するマスタージョイント（２６、２７、２８、２９）により形成される鎖の運動学的モデルと同一であることを特徴とする、機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項２】
前記エンドエフェクタ（４０）が、エンドエフェクタジョイント（４２、４５、４６）により相互接続される、少なくとも２つ、好ましくは３つの連結式のエンドエフェクタリンク（４１、４３、４４）を備えること、および前記ハンドル（３０）が、ハンドルジョイント（３２、３５、３６）により相互接続される、対応する少なくとも２つ、好ましくは３つの対応する連結式のハンドルリンク（３１、３３、３４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項３】
前記エンドエフェクタ（４０）の複数の連結式のエンドエフェクタリンク（４１、４３、４４）および対応するエンドエフェクタジョイント（４２、４５、４６）により形成される鎖の運動学的モデルが、前記ハンドル（３０）の複数の連結式のハンドルリンク（３１、３３、３４）および対応するハンドルジョイント（３２、３５、３６）により形成される鎖の運動学的モデルと同一であることを特徴とする、請求項２に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項４】
前記ハンドル（３０）の各々のハンドルリンク（３１、３３、３４）に与えられる運動の大きさが、各々のエンドエフェクタリンク（４１、４３、４４）の長さと、対応するハンドルリンク（３１、３３、３４）の長さとの比率に対応する第１の所定の縮尺比率にて前記エンドエフェクタ（４０）の対応するエンドエフェクタリンク（４１、４３、４４）により再現されることを特徴とする、請求項２または３に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項５】
前記機械的遠隔操作装置が作動される場合、前記マスター装置（２０）の各々のマスターリンク（２１、２２、２３、２４）の運動の大きさが、各々のスレーブリンク（１１、１２、１３、１４）の長さと、対応するマスターリンク（２１、２２、２３、２４）の長さとの比率に対応する第２の所定の縮尺比率にて前記スレーブ装置（１０）の対応するスレーブリンク（１１、１２、１３、１４）により再現されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項６】
前記スレーブ装置（１０）および前記マスター装置（２０）が、接続リンク（６０）の配向と独立して固定点（３２’）および前記動作の遠隔中心（５０）と一直線に並んでいる、前記接続リンク（６０）の長手方向軸周囲を回転するように構成される前記接続リンク（６０）により一緒に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項７】
前記マスター装置（２０）が、前記接続リンク（６０）と共に少なくとも４つの側部の実質的に多角形構造を形成するように配置される少なくとも３つのリンク（２１、２２、２３、２４）を備え、前記第２の軸（θ２）および第３の軸（θ３）のうちの１つが、前記多角形構造により規定される平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする、請求項６に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項８】
前記マスター装置（２０）が、
前記機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）が中立位置にある場合、一端にて第１のマスタージョイント（２６）に接続され、上方に延び、他端にて第２のマスタージョイント（２７）に接続される、接続リンク（６０）に対して実質的に垂直である第１のマスターリンク（２１）と、
一端にて前記第２のマスタージョイント（２７）に接続され、他端にて第３のマスタージョイント（２８）に接続されるように延びる第２のマスターリンク（２２）と、
一端にて前記第３のマスタージョイント（２８）に接続され、他端にて第４のマスタージョイント（２９）に接続される第３のマスターリンク（２３）と、
を備え、
誘導される前記マスターリンク（２４）が、その長手方向軸（θ１）周囲で軸方向に回転でき、前記機械的制限手段（３２）を通して接続リンク（６０）を越えて下方に延びるように、誘導される前記マスターリンク（２４）の一端が前記第４のマスタージョイント（２９）に接続され、誘導される前記マスターリンク（２４）の他端は、前記機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）のハンドル（３０）に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項９】
前記機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）のハンドル（３０）が、第１のハンドルジョイント（３２）を介して、誘導される前記マスターリンク（２４）の一端に接続される第１のハンドルリンク（３１）を備え、前記第１のハンドルリンク（３１）の回転軸は、誘導される前記マスターリンク（２４）の長手方向軸（θ１）と実質的に垂直であり、交差し、前記ハンドル（３０）はさらに、互いに同軸上に取り付けられる第２のハンドルジョイント（３５）および第３のハンドルジョイント（３６）のそれぞれを介して前記第１のハンドルリンク（３１）に接続される第２のハンドルリンク（３３）および第３のハンドルリンク（３４）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項１０】
前記スレーブ装置（１０）が、
接続リンク（６０）の一端にて接続される第１のスレーブジョイント（１６）と、
前記遠隔操作装置が中立位置にある場合、一端にて前記第１のスレーブジョイント（１６）に接続され、上方に延び、前記接続リンク（６０）に対して実質的に垂直であり、他端にて第２のスレーブジョイント（１７）に接続される、第１のスリーブリンク（１１）と、
一端にて前記第２のスレーブジョイント（１７）に接続され、他端にて第３のスレーブジョイント（１８）に接続されるように延びる第２のスレーブリンク（１２）と、
一端にて前記第３のスレーブジョイント（１８）および他端にて第４のスレーブジョイント（１９）に接続される第３のスレーブリンク（１３）と
を備え、
第４のスレーブリンク（１４）が、その長手方向軸（θ４）周囲を軸方向に回転可能であり、実質的に下方に延びるように、前記第４のスレーブジョイント（１９）が前記第４のスレーブリンク（１４）に接続されることを特徴とする、請求項９に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項１１】
前記エンドエフェクタ（４０）が、第１のエンドエフェクタジョイント（４２）を介して前記第４のスレーブリンク（１４）の一端にて接続される第１のエンドエフェクタリンク（４１）を備え、前記第１のエンドエフェクタリンク（４１）の回転軸が、前記第４のスレーブリンク（１４）の長手方向軸（θ４）に対して実質的に垂直であり、交差し、前記エンドエフェクタ（４０）は、互いに同軸に取り付けられる第２のエンドエフェクタジョイント（４５）および第３のエンドエフェクタジョイント（４６）のそれぞれを介して前記第１のエンドエフェクタリンク（４１）に接続される第２および第３のエンドエフェクタリンクまたはブレード（４３、４４）をさらに備えることを特徴とする、請求項１０に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）。
【請求項１２】
好ましくはステーション（８０）に互いに平行に取り付けられる少なくとも２つの機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）を備える機械的マニピュレータであって、各々の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）が、請求項１〜１１のいずれか一項に従って規定され、他方から独立して操作されるように構成される、機械的マニピュレータ。
【請求項１３】
２つの機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）の各々が、前記機械的マニピュレータを運搬および小型にして保存できるように好ましくは基準面（１００）に対して６０°から９０°の角度を形成するように側部に沿って傾斜するように前記ステーション（８０）に回転可能に取り付けられることを特徴とする、請求項１２に記載の機械的マニピュレータ。
【請求項１４】
前記エンドエフェクタ（４０）の付近をモニタするように構成されるスクリーン（８１）または任意の他の画像ディスプレイが前記ステーション（８０）に設けられることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の機械的マニピュレータ。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の機械的遠隔操作装置（５ａ、５ｂ）または請求項１２、１３もしくは１４のいずれか一項に記載の機械的マニピュレータを備える、低侵襲外科的処置のための機械的遠隔操作手術装置であって、前記機械的遠隔操作手術装置は、患者に実施される外科的切開に一致した前記動作の遠隔中心（５０）を位置決めするための調節手段を備える、機械的遠隔操作手術装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠隔作動型の機械的システム、より具体的には、患者の身体内への小さなサイズのアクセス切開を使用して、主に低侵襲性外科手術において使用するための遠隔操作のための機械的遠隔操作装置の分野に関する。この装置はまた、アセンブリ操作、狭い場所での操作、危険または困難な環境での操作、および汚染されたまたは浄化された環境での操作などの、高い剛性、正確さ、および質の高い力フィードバックによる器用な操作を必要とする任意の適切な遠隔作動型の用途に適合される。
【背景技術】
【０００２】
開胸手術は依然としてほとんどの外科手術のための標準的な技術である。それは、数十年の間、医学界により使用されており、腹部における細長い切開により外科的作業を実施することからなり、その切開を通して従来の手術道具が挿入される。しかしながら、細長い切開に起因して、このアプローチは患者に対して極めて侵襲的であり、外科手術の間のかなりの失血、ならびに病院での長く苦痛な回復期間を伴う。
【０００３】
開胸手術の侵襲性を低減させるために、腹腔鏡検査、低侵襲性技術が開発されている。単一の細長い切開の代わりに、４〜５個の小さな切開が患者になされ、その切開を通して、長く薄い手術機器および内視鏡カメラが挿入される。低い侵襲性のために、この技術は失血を減少させ、病院での滞在および苦痛を短くする。経験のある外科医により実施される場合、この技術は開胸手術と同様の臨床転帰を達成できる。しかしながら、上述の利点にも関わらず、腹腔鏡検査は、剛性で長い機器を操作するために極めて高度な外科医のスキルを必要とする。入口の切開は回転点として作用し、患者の内部に機器を配置し、方向付けるための自由を減少させる。この切開周囲で外科医の手の動きは反転され、機器の先端に対してスケールアップ（「支点の作用」）する。これにより、器用さ、感受性がなくなり、外科医の手の動きが拡大される。さらに、これらの長く、線形の機器により、外科医は、手、腕および身体に関して不安定な姿勢で作業を強いられ、数時間の手術の間、途方もなく疲れる場合がある。したがって、腹腔鏡手術機械のこれらの欠点に起因して、これらの低侵襲性技術は主に簡単な外科手術における使用に限定されているが、ほんの少人数の外科医のみがそれらを複雑な手術に使用することができる。
【０００４】
これらの制限を克服するために、複雑な低侵襲性手術に対する使いやすいアプローチを提供するために外科的ロボットシステムが開発された。コンピュータ化されたロボットインターフェースによって、これらのシステムは遠隔腹腔鏡検査を実施でき、外科医はいくつかの小さな切開を通して操作を実施するために２つのマスターマニピュレータを操作するコンソールに座る。腹腔鏡検査と同様に、ロボットアプローチもまた、低侵襲性であり、痛み、失血、および回復時間に関して開胸手術よりいくつかの利点をもたらす。さらに、それはまた、開口および腹腔鏡技術と比較して、外科医に対して十分な疲労軽減（ｅｒｇｏｎｏｍｙ）を与える。しかしながら、技術的に容易ではあるが、ロボット外科手術はいくつかのマイナスの側面をもたらす。これらのシステムの主な不都合な点は、複雑なメカトロニクスシステムにより構成され、入手し、維持するのに莫大な費用がかかる（世界中の外科部門のほとんどにとって手頃な価格ではない）、既存のロボット装置の極めて高度な複雑性に関連する。これらのシステムの別の欠点は、現在の外科ロボットの数が多く、手術室内の貴重なスペースを競合し、準備時間が著しくかかるという事実に由来する。したがって、力フィードバックの欠如と共に、患者へのアクセスを損ない、安全性についての懸念が増大する。
【０００５】
特許文献１、特許文献２および特許文献３は、患者の身体の内側で外科医の手の動きを再現するように設計されたロボット遠隔操作外科用機器を開示している。コンピュータ化されたロボットインターフェースによって、外科医がいくつかの小さな切開を介して手術を実施するために２つのジョイスティックを操作するコンソールに座る、遠隔腹腔鏡検査の実施が可能となる。しかしながら、このシステムは自立性または人工知能を有さず、本質的に完全に外科医により制御される複雑なツールである。制御コマンドは、製造し、維持するのに非常に費用がかかり、病院スタッフによる使用が困難である、複雑なコンピュータ制御のメカトロニクスシステムによりロボットマスターとロボットスレーブとの間に送信される。
【０００６】
特許文献４は、低侵襲性手術のための機器のためのそんなに複雑ではない機械的マニュピレータを開示しており、それは、近位端において、マニピュレータの遠位端に接続された機器を操作するためのハンドルを有する。平行四辺形の構造が、ハンドルと機器との間の明確な位置関係を保証するために近位端と遠位端との間に設けられる。この平行四辺形の構造は、平行四辺形の構造の位置を制御するためのバーのシステムに接続される。システムのバーは平行四辺形の構造に接続され、同様にカルダンジョイント（ｃａｒｄａｎ  ｊｏｉｎｔ）により互いに接続される。
【０００７】
この機械的マニピュレータによって課される平行四辺形の制約は、このマニピュレータのハンドルに適用される動きの振幅と、マニピュレータの遠位端に接続される機器により再現される動きの振幅との間に１：１以外のスケール比を得ることを困難にする。このことは外科的介入に最重要であるマニピュレータの正確性を減少させる。
【０００８】
さらに、特許文献４のマニピュレータのハンドルは、ガイド要素に沿ってスライド可能に取り付けられる伸張アームに接続される。このことにより、伸張アームがその長手方向軸に沿って常に平行移動することが確実になり、それにより機器は、前記伸張アームの長手方向軸に平行な仮想上の軸に沿って常に平行移動する。ガイド要素は、制約が患者に実施される切開により課される場合、適切でない固定した単一の点の特定の距離においてその点の周囲で機器を回転させる支持構造上に偏心して回転可能に取り付けられる。さらに、平行四辺形の構造の剛性要素の高い慣性に起因して、この機械的マニピュレータは不十分な触覚的な透明性を与える。
【０００９】
いくつかの他の機械的システムが、放射性環境において遠隔操作のために開発されており、特許文献５などのいくつかの文献に開示されている。しかしながら、この文献に開示されるシステムはマスタースレーブアーキテクチャを含むが、その寸法、重量および運動は低侵襲性外科的応用に適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第９７４３９４２号パンフレット
【特許文献２】国際公開第９８２５６６６号パンフレット
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１００１１９００号
【特許文献４】国際公開第２００８１３０２３５号パンフレット
【特許文献５】米国特許第２８４６０８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、好ましくは、高度に正確で、高い触覚的な透明性を有し、従来技術の上述の欠点を克服する、手術機器を操作できる低侵襲性外科手術のための機械的遠隔操作装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、低侵襲性外科手術および開胸手術またはＭＲｉ環境での処置の他の形態に容易に使用され得るように構成される機械的遠隔操作装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらおよび他の利点は、マニピュレータが存在しなければならない場所付近での操作者の手の動きを自然に再現するように設計される、遠隔操作のための機械的遠隔操作装置により達成される。この機械的遠隔操作装置は、ｉ）複数のスレーブジョイントにより相互接続される複数のスレーブリンクを有するスレーブマニピュレータ（本明細書以下で「スレーブ装置」と称する）；ｉｉ）スレーブ装置の遠位端に接続されるエンドエフェクタ（機器／ツールまたは把持部／保持部）；ｉｉｉ）複数のマスタージョイントにより相互接続される対応する数のマスターリンクを有するマスターマニピュレータ（本明細書以下で「マスター装置」と称する）；ならびにｉｖ）機械的遠隔操作装置を操作するためのハンドルを備える。機械的遠隔操作装置はまた、エンドエフェクタをスレーブ装置の一部とみなし、ハンドルをマスター装置の一部であるとみなすことにより説明され得る。広範な意味において、エンドエフェクタを備えるリンクおよびジョイントは遠位スレーブリンクおよびジョイントとみなされ得るのに対して、ハンドルを備えるリンクおよびジョイントは遠位マスターリンクおよびジョイントとみなされ得る。エンドエフェクタはスレーブ装置の近位部から解放可能であるように構成され得る。
【００１４】
機械的遠隔操作装置はさらに、マスター装置の各々のマスタージョイントに与えられる運動（ジョイントの角度）が、所定の縮尺比率にてスレーブ装置の対応するスレーブジョイントにより再現されるように、スレーブ装置をマスター装置に運動学的に接続するように配置される第１の機械的伝達手段を備え、その所定の縮尺比率は、各々のマスターリンクがそれぞれ、対応するスレーブリンクより２倍または３倍長い場合、２：１または３：１のオーダーであることが有益であり得る。大きさのこのオーダーの縮小比率は装置の正確性を著しく改善できる。さらに、ハンドルに与えられる動きが所定の縮尺比率でエンドエフェクタにより再現されるように、第２の機械的遠隔操作手段がツールまたはエンドエフェクタをハンドルに運動学的に接続するように配置される。機械的遠隔操作装置はまた、前記マスター装置の１つのマスターリンクが、その長手方向軸に沿って移動するように誘導または制限されることを確保するように構成される機械的制限手段を備え、機械的遠隔操作装置が作動される場合、スレーブ装置の対応するスレーブリンクは、遠隔操作部に近接した、誘導される前記マスターリンクの長手方向軸に平行な仮想軸に沿って常に平行移動する。
【００１５】
本発明によれば、これらの機械的制限手段はさらに、マスター装置の誘導されるマスターリンクを、その長手方向軸周囲、ならびに第２の軸および第３の軸周囲で回転させることができるように構成される。誘導されるマスターリンクの長手方向軸ならびに第２の軸および第３の軸は、誘導される前記マスターリンクの配向とは独立して、固定単一点にて互いに常に交差し、スレーブ装置の対応するスレーブリンクを、その長手方向軸周囲、ならびに誘導されるマスターリンクが回転できる第２の軸および第３の軸にそれぞれに平行である第５の仮想軸および第６の仮想軸周囲で回転させることができる。対応するスレーブリンクの長手方向軸ならびに第５の仮想軸および第６の仮想軸は、遠隔操作部（「動作の遠隔中心部」とも称される）に近接する仮想固定単一点にて互いに常に交差する。
【００１６】
本発明の１つの態様によれば、スレーブ装置の複数の連結式のスレーブおよび対応するスレーブジョイントにより形成される鎖の運動学的モデルは、マスター装置の複数の連結式のマスターリンクおよび対応するマスタージョイントにより形成される鎖の運動学的モデルと同一である。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、機械的遠隔操作装置が作動される場合、スレーブ装置の各々のスレーブリンクおよびマスター装置の対応するマスターリンクは、実質的に互いに平行して移動するように、第１の機械的伝達手段が構成される。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、エンドエフェクタは、エンドエフェクタジョイントにより相互接続される、少なくとも２つ、好ましくは３つの連結式のエンドエフェクタリンクを備える。ハンドルは、ハンドルジョイントにより相互接続される、対応する少なくとも２つ、好ましくは３つの対応する連結式のハンドルリンクを備える。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、エンドエフェクタの複数の連結式のエンドエフェクタリンクおよび対応するエンドエフェクタジョイントにより形成される鎖の運動学的モデルが、ハンドルの複数の連結式のハンドルリンクおよび対応するハンドルジョイントにより形成される鎖の運動学的モデルと同一である。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、前記機械的遠隔操作装置が作動される場合、各々の連結式のエンドエフェクタリンクおよび対応する連結式のハンドルリンクが、実質的に互いに平行して移動するように、前記第２の機械的伝達手段が構成される。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、ハンドルの各々のハンドルリンクに与えられる運動の大きさが、各々のエンドエフェクタリンクの長さと、対応するハンドルリンクの長さとの比率に対応する第１の所定の縮尺比率にて前記エンドエフェクタの対応するエンドエフェクタリンクにより再現される。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、前記機械的遠隔操作装置が作動される場合、前記マスター装置の各々のマスターリンクの運動の大きさが、各々のスレーブリンクの長さと、対応するマスターリンクの長さとの比率に対応する第２の所定の縮尺比率にて前記スレーブ装置の対応するスレーブリンクにより再現される。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、誘導されるマスターリンクがその周囲で回転できる前記第２の軸および第３の軸が実質的に互いに垂直であり、対応するスレーブリンクがその周囲で回転できる前記第５の仮想軸および第６の仮想軸が実質的に互いに垂直である。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、前記スレーブ装置および前記マスター装置が、固定点および対応する仮想固定点と一直線に並んでいる、前記接続リンクの長手方向軸周囲を回転するように構成される前記接続リンクにより一緒に接続される。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、前記マスター装置が、前記接続リンクと共に少なくとも４つの側部の実質的に多角形構造を形成するように配置される少なくとも３つのリンクを備え、前記第２の軸および第３の軸のうちの１つが、前記多角形構造により規定される平面に対して実質的に垂直である。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、前記マスター装置の誘導されるマスターリンクが、前記機械的遠隔操作装置が作動される場合に存在する基準面に対する方向においてマスターリンクの接続リンクの開口部を通して延びるように配向される。前記機械的遠隔操作装置のハンドルが、前記接続リンクの下で作動される前記マスター装置の誘導されるマスターリンクの一端に接続される。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、前記スレーブ装置および前記マスター装置が所定の距離により互いから離れて分離する。前記第１の機械的伝達手段の一部が、前記スレーブ装置の各々のスレーブジョイントを、前記マスター装置の対応するマスタージョイントと運動学的に接続するために前記所定の距離に沿って配置される。前記第２の機械的伝達手段の一部が、前記エンドエフェクタの各々のエンドエフェクタジョイントを、前記ハンドルの対応するハンドルジョイントと運動学的に接続するために前記所定の距離に沿って配置される。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、前記マスター装置が、前記機械的遠隔操作装置が中立位置にある場合、一端にて第１のマスタージョイントに接続され、上方に延び、他端にて第２のマスタージョイントに接続される、接続リンクに対して実質的に垂直である第１のマスターリンクと、一端にて前記第２のマスタージョイントに接続され、他端にて第３のマスタージョイントに接続されるように延びる第２のマスターリンクと、一端にて前記第３のマスタージョイントに接続され、他端にて第４のマスタージョイントに接続される第３のマスターリンクとを備える。誘導される前記マスターリンクが、その長手方向軸周囲で軸方向に回転でき、前記機械的制限手段を通して接続リンクを越えて下方に延びるように、誘導される前記マスターリンクの一端が前記第４のマスタージョイントに接続される。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、前記機械的遠隔操作装置のハンドルが、第１のハンドルジョイントを介して、誘導される前記マスターリンクの一端に接続される第１のハンドルリンクを備える。前記第１のハンドルリンクの回転軸は、誘導される前記マスターリンクの長手方向軸と実質的に垂直であり、交差する。前記ハンドルはさらに、互いに同軸上に取り付けられる第２のハンドルジョイントおよび第３のハンドルジョイントのそれぞれを介して前記第１のハンドルリンクに接続される第２のハンドルリンクおよび第３のハンドルリンクを備える。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、前記スレーブ装置が、接続リンクの一端にて接続される第１のスレーブジョイントと、前記遠隔操作装置が中立位置にある場合、一端にて前記第１のスレーブジョイントに接続され、上方に延び、前記接続リンクに対して実質的に垂直であり、他端にて第２のスレーブジョイントに接続される、第１のスリーブリンクと、一端にて前記第２のスレーブジョイントに接続され、他端にて第３のスレーブジョイントに接続されるように延びる第２のスレーブリンクと、一端にて前記第３のスレーブジョイントおよび他端にて第４のスレーブジョイントに接続される第３のスレーブリンクとを備える。第４のスレーブリンクが、その長手方向軸周囲を軸方向に回転可能であり、実質的に下方に延びるように、前記第４のスレーブジョイントが前記第４のスレーブリンクに接続される。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、前記エンドエフェクタが、第１のエンドエフェクタジョイントを介して前記第４のスレーブリンクの一端にて接続される第１のエンドエフェクタリンクを備える。前記第１のエンドエフェクタリンクの回転軸が、前記第４のスレーブリンクの長手方向軸に対して実質的に垂直であり、交差する。前記エンドエフェクタは、互いに同軸に取り付けられる第２のエンドエフェクタジョイントおよび第３のエンドエフェクタジョイントのそれぞれを介して前記第１のエンドエフェクタリンクに接続される第２および第３のエンドエフェクタリンクをさらに備える。
【００３２】
本発明の別の態様によれば、前記第１の機械的伝達手段が、（ｉ）前記マスター装置および前記スレーブ装置が、前記接続リンクの長手方向軸に沿って一緒に回転できるように、前記マスター装置の近位マスタージョイントを前記スレーブ装置の近位スレーブジョイントに運動学的に接続するように配置される第１の機械的伝達部と、（ｉｉ）前記マスター装置の前記第１のマスタージョイントに与えられる運動が、前記スレーブ装置の第１のスレーブジョイントにより再現されるように、前記マスター装置の前記第１のマスタージョイントを前記スレーブ装置の前記第１のスレーブジョイントに運動学的に接続するように配置される第２の機械的伝達部と、（ｉｉｉ）前記マスター装置の前記第２のマスタージョイントに与えられる運動が、前記スレーブ装置の前記第２のスレーブジョイントにより再現されるように、前記マスター装置の前記第２のマスタージョイントを前記スレーブ装置の前記第２のスレーブジョイントに運動学的に接続するように配置される第３の機械的伝達部と、（ｉｖ）前記マスター装置の前記第３のマスタージョイントに与えられる運動が、前記スレーブ装置の前記第３のスレーブジョイントにより再現されるように、前記マスター装置の第３のマスタージョイントを前記スレーブ装置の前記第３のスレーブジョイントに運動学的に接続するように配置される第４の機械的伝達部と、（ｖ）前記マスター装置の前記第４のマスタージョイントに与えられる運動が、前記スレーブ装置の前記第４のスレーブジョイントにより再現されるように、前記マスター装置の第４のマスタージョイントを前記スレーブ装置の第４のスレーブジョイントに運動学的に接続するように配置される第５の機械的伝達部と、を備える。
【００３３】
本発明の別の態様によれば、第２の機械的伝達手段が、（ｖｉ）前記ハンドルの第１のハンドルジョイントを前記エンドエフェクタの第１のエンドエフェクタジョイントに運動学的に接続するように配置される第６の機械的伝達部と、（ｖｉｉ）前記ハンドルの第２のハンドルジョイントを前記エンドエフェクタの第２のエンドエフェクタジョイントに運動学的に接続するように配置される第７の機械的伝達部と、（ｖｉｉｉ）前記ハンドルの第３のハンドルジョイントを前記エンドエフェクタの第３のエンドエフェクタジョイントに運動学的に接続するように配置される第８の機械的伝達部と、を備える。
【００３４】
本発明の別の態様によれば、スレーブ装置およびマスター装置のそれぞれの複数のスレーブジョイントおよびマスタージョイントが、遠隔操作装置の異なるスレーブリンクおよびマスターリンクに固定されるプーリおよび／またはピニオンにより作動される。機械的伝達手段が、前記マスター装置の複数のマスタープーリおよび／またはピニオンの各々からの動きを、前記スレーブ装置の対応するスレーブプーリまたはピニオンに伝達するように取り付けられる可撓性および／または剛性要素の１つの伝達ループまたは複数の伝達ループを備える。
【００３５】
本発明の別の態様によれば、前記機械的遠隔操作装置が、複数のマスターおよびスレーブジョイントに取り付けられるバネの形態または複数のマスターおよびスレーブリンクに接続されるカウンターウェイトの形態の重力補償手段を備える。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、外科医が前記ハンドルを保持しない場合および前記機械的遠隔操作装置が起動位置にある場合、前記機械的遠隔操作装置が、前記機械的遠隔操作装置を固定構造にロックするためのロック手段を備える。
【００３７】
本発明の別の態様によれば、好ましくはステーションに互いに平行に取り付けられる少なくとも２つの上記の機械的遠隔操作装置を備える機械的マニピュレータが提供される。各々の機械的遠隔操作装置が、他方から独立して操作されるように構成される。
【００３８】
本発明の別の態様によれば、上記に定義され、前記ステーションに取り付けられ、２つの他の機械的遠隔操作装置とは独立して操作するように構成される第３の機械的遠隔操作装置が提供される。前記第３の機械的遠隔操作装置の遠位端がカメラまたは支援ツールを受容するように構成される。
【００３９】
本発明の別の態様によれば、各々の機械的遠隔操作装置が連結式支持構造に取り付けられる。各々の支持構造が、遠隔操作部に近接した仮想固定単一点の方向に傾斜可能であるように前記ステーションに接続される。
【００４０】
本発明の別の態様によれば、２つまたは３つの機械的遠隔操作装置の各々が、前記機械的マニピュレータを運搬および小型にして保存できるように好ましくは基準面に対して６０°から９０°の角度を形成するように側部に沿って傾斜するように前記ステーションに回転可能に取り付けられる。
【００４１】
本発明の別の態様によれば、前記遠隔操作部の付近をモニタするように構成されるスクリーンまたは任意の他の画像ディスプレイが前記ステーションに設けられる。
【００４２】
最後に、本発明の別の態様によれば、上記に定義した機械的遠隔操作装置または上記に定義した機械的マニピュレータを備える、低侵襲外科的処置のための機械的遠隔操作手術装置であって、前記機械的遠隔操作手術装置は、患者に実施される外科的切開に一致して対応する、スレーブ装置の対応するリンクがその周囲を移動し、回転する、仮想固定単一点を位置決めするための調節手段を備える。
【００４３】
この装置は特に、低侵襲性外科手術に十分に適合される。外科手術用のロボット遠隔装置と同様に、このシステムは自立的または人工知能を有さず、本質的に外科医により完全に制御される洗練されたツールである。しかしながら、この装置は、コンピュータにより制御された機械的システムによりマスター装置とスレーブ装置との間に命令が伝達されるロボットシステムと対照的に動きを伝達するための完全な機械的技術を使用する。電子機器、アクチュエータおよびソフトウェアを使用せずに、この装置はまた、より確実で、製造するのが手頃であり、使用し易い可能性を有し、また、外科医に対する、より安定な力フィードバックの利点がある。
【００４４】
この装置はまた、複雑な運動学を用いているが、非常に小さなスケールで正確で強い力を提供できるシステムを作動できる技術を使用する。開発されている機械的伝達手段は、スレーブ装置とマスター装置の対応するジョイントの間で完全な運動学的適合を可能にする。このマスター−スレーブ関係は、マスター装置のジョイントを類似したスレーブ装置のジョイントに伝達する動作を可能にする。マスター装置およびスレーブ装置のリンクの低慣性ならびに機械的伝達手段の低摩擦は、反動およびさざ波のない動きを提供し、これにより、外科医は実際的な力を遠位機器に与える。
【００４５】
その運動学的モデルに起因して、このシステムは、外科的機器に対して７段階の自由度を可能にし、ヒトの手首および指より大きい様々な動き、高度な器用さを外科医に与える。遠隔中心動作のために、スレーブ装置はマスター装置により制御され、患者に実施される切開点により課される制限に注意しながら、患者への外傷を低減し、審美的結果を改善する。
【００４６】
このシステムの設計および性能の仕様は外科医の作業条件により決められ、その使用は外科的手術の性能の増加に寄与し、それらの信頼性を増加させる。
【００４７】
本発明は、添付の図面を参照して本発明のいくつかの実施形態の以下の詳細な説明により、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態に係る機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図２】図２は、低侵襲手術の間に外科医により操作される図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図３】図３は、図２の機械的遠隔操作手術装置を操作する場合の外科医の視野を示す。
【図４】図４は、患者に実施される切開点の位置に対して２つの遠位ツールを正確に配置するための機械的遠隔操作手術装置の調節手段を示す。
【図５】図５ａおよび５ｂはそれぞれ、容易に移動され、コンパクトに保存される構造における図１の機械的遠隔操作手術装置の正面斜視図および背面斜視図を示す。
【図６】図６は、機械的遠隔操作手術装置のマスター装置の遠位端に接続されるハンドルの斜視図を示す。
【図７】図７は、機械的遠隔操作手術装置のスレーブ装置の遠位端に接続されるエンドエフェクタの斜視図を示す。
【図８】図８は、マスター−スレーブ関係構造における図１の機械的遠隔操作手術装置の構造部分の概略図を示す。
【図９】図９は、マスター装置およびスレーブ装置の対応するジョイントの間の運動学的接続を有する図８の同様の図を示す。
【図１０】図１０は、中立（ニュートラルな）位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１１】図１１は、第１のアクティブ位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１２】図１２は、第２のアクティブ位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１３】図１３は、第３のアクティブ位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１４】図１４は、第４のアクティブ位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１５】図１５は、第５のアクティブ位置における図１の機械的遠隔操作手術装置の斜視図を示す。
【図１６ａ】図１６ａは、図１の機械的遠隔操作手術装置の機械的制限手段の断面図を示す。
【図１６ｂ】図１６ｂは、機械的制限手段の代替の概略図を示す。
【図１７】図１７は、スレーブ装置の一般的な駆動プーリと、機械的遠隔操作装置のマスター装置の対応する駆動プーリとの間の単一の閉ループ（ケーブル）伝達の概略図を示す。
【図１８】図１８は、ジョイントレベルにおいて、一定の長さを有する閉ループを維持するためのケーブルの取り回し方法の概略図を示す。
【図１９】図１９は、等価のマスター−スレーブジョイントレベルにおいて、一定の長さを有する閉ループを維持するための別のケーブルの取り回し方法の概略図を示す。
【図２０】図２０は、本発明の別の実施形態に係る、スレーブ装置の一般的な駆動プーリと、マスター装置の対応する駆動プーリとの間の複数の閉ケーブルループ伝達の概略図を示す。
【図２１】図２１は、本発明の別の実施形態に係る２つの一般的なジョイント（２つのプッシュ−プルロッドを有する）間のダブル４バーシステム伝達の概略図を示す。
【図２２】図２２は、本発明のさらなる実施形態に係る２つのジョイント（１つのプッシュ−プルロッドのみを有する）間の単一の４バーシステム伝達の概略図を示す。
【図２３】図２３は、本発明のなおさらなる実施形態に係る２つの一般的なジョイント間のラックアンドピニオンを使用した伝達の概略図を示す。
【図２４】図２４は、本発明のなおさらにさらなる実施形態に係る２つの一般的なジョイント間の接続ロッドを使用した伝達の概略図を示す。
【図２５】図２５は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図２６】図２６は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図２７】図２７は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図２８】図２８は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図２９】図２９は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図３０】図３０は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図３１】図３１は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図３２】図３２は、機械的遠隔操作装置の８段階の自由度の各々についてのケーブルトポロジーの概略図を示す。
【図３３】図３３は、取り外し可能なツールを有する機械的遠隔操作装置の概略図を示す。
【図３３ａ】図３３ａは、単一のケーブルループ伝達の概略図を示す。
【図３３ｂ】図３３ｂは、ダブルケーブルループ伝達の概略図を示す。
【図３４】図３４は、本発明の異なる実施形態に係る機械的遠隔操作装置の異なる可能な運動学的構造を示す。
【図３５】図３５は、本発明の異なる実施形態に係る機械的遠隔操作装置の異なる可能な運動学的構造を示す。
【図３６】図３６は、本発明の一部の実施形態に係る、ハンドルに対するユーザにより感じられる重力の作用を減少させるためのトーションバネを含む機械的遠隔操作装置の概略図を示す。
【図３７】図３７は、トーションバネがカウンターウェイトにより置き換えられる、図３６の変形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明の好ましい実施形態に従って構成される、低侵襲性手術のための遠隔操作手術装置を本明細書に記載し、図１および２に全体を示す。この装置は好ましくは、互いに独立して操作するように構成され、各々、７段階の独立した自由度（全体でシステムは８段階の自由度を有するが、それらの１つは冗長である）を含む、２つの同一の機械的遠隔操作手術装置５ａ、５ｂを備える。これらの２つの機械的遠隔操作装置５ａ、５ｂはそれぞれ、互いに実質的に平行であるが、それらの間で角度を調整できる第１のハウジング６ａおよび第２のハウジング６ｂ内に部分的に取り付けられる。
【００５０】
図２および３を参照すると、外科医は、内視鏡的視覚システムを介して操作を見る、遠隔操作手術装置の近位部における２つの直感的ハンドル３０を直接操作する処置を実施する。２つのハンドル３０に対して外科医により適用される動きは、小さな切開を通して患者の腹腔に到達する２つの多関節手術用ツール４０（図７）により再現（スケールダウンまたはそれ以外）される。それらの動きは図３に示すように外部スクリーン８１を介して見られ得る。この遠隔操作手術装置は外科医のための人間工学を改善し、外科医が彼らの手を互いに自然の向きに配置することができ、逆さまではない動きである改善された眼・手協調運動および直感的操作を提供する。外科医の快適さもまた、例えば図２に示した肘支持部８３により改善される。
【００５１】
図４を参照すると、２つの機械的遠隔操作装置５ａ、５ｂの第１のハウジング６ａおよび第２のハウジング６ｂは、それらのそれぞれの構造に沿って線形的に作動される第１の管状構造７ａおよび第２の管状構造７ｂの内側にそれぞれスライド可能に取り付けられる。各管状構造７ａ、７ｂは、第１の軸θｉ周囲を回転し、第２の軸θｉｉ周囲で傾斜するようにステーション８０に間接接合される。このステーション８０は、車輪の付いた中空ベース８２の内側に取り付けられ、このベース８２に対して上昇するように構成される。これらの動きの組み合わせにより、患者の腹腔に近接する切開点（動作の遠隔中心）および２つの多間接手術用ツール４０を正確に位置決めすることができる。
【００５２】
遠隔操作手術装置が容易に移動およびコンパクトに保存され得るように、図５ａおよび５ｂに示すように、２つの機械的遠隔操作装置５ａ、５ｂが、好ましくは、地面に対して６０°から９０°、さらにより好ましくは７０°から８０°の角度を形成するように有益にはこのステーション８０の側部に沿って傾斜され得るように、２つの管状構造７ａ、７ｂはさらに、ステーション８０に回転可能に取り付けられる。
【００５３】
本発明の重要な特徴の１つは各々の機械的遠隔操作装置５ａ、５ｂのマスター−スレーブ関係の構造にある。スレーブ装置およびマスター装置は一緒に作動するように構成され、遠隔操作を反映する力を生じる。２つの遠隔操作装置５ａ、５ｂが構造的および機能的に同一であることを考慮して、本明細書以下の説明は１つの機械的遠隔操作装置のみを指す。
【００５４】
図８は、本発明の好ましい実施形態に係る遠隔操作装置の構造配置を概略的に示す。この装置は接続リンク６０により互いに接続されるスレーブ装置１０およびマスター装置２０を備える。この接続リンク６０は遠隔操作装置を基準面１００に接続するジョイント７０を備える。このジョイント７０は、それぞれ、マスター装置２０およびスレーブ装置１０の第１の近接ジョイントと考慮され得る２つのマスタージョイント２５およびスレーブジョイント１５に分解され得る。図１０を参照すると、マスタージョイントおよびスレーブジョイントは、接続リンク６０に取り付けられ、長手方向シャフト（図示せず）を受容するように構成される２つのラジアル軸受２５ａ、１５ａにより実現され、それにより遠隔操作装置はこのシャフト周囲を回転できる。ジョイント７０をジョイント２５および１５に分解する場合、スレーブジョイント１５からスレーブジョイント１６まで進む接続リンク６０のセグメントは近位スレーブリンクであるとみなされ、マスタージョイント２５からマスタージョイント２６まで進む接続リンク６０のセグメントは近位マスターリンクであるとみなされる。
【００５５】
スレーブ装置は、複数のスレーブジョイント１６、１７、１８、１９により相互接続される複数のスレーブリンク１１、１２、１３、１４を備えるのに対して、マスター装置２０は、複数のマスタージョイント２６、２７、２８、２９により相互接続される対応する数のマスターリンク２１、２２、２３、２４を備える。図９に概略的に示す第１の機械的伝達手段６１、６２、６３、６４は、スレーブ装置１０をマスター装置２０と運動学的に接続するように配置される部分的にプーリが通るケーブルを備え、それによりマスター装置２０の各マスタージョイント２６、２７、２８、２９に適用される動作（ジョイントの角度）は、スレーブ装置１０の対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９により再現される。より特に、スレーブ装置１０の複数の連結式スレーブリンク１１、１２、１３、１４および対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９により形成される運動学的鎖は、マスター装置２０の複数の連結式マスターリンク２１、２２、２３、２４および対応するマスタージョイント２６、２７、２８、２９により形成される運動学的鎖と同一である。
【００５６】
ここでより特に、図１０のマスター−スレーブ装置１０、２０の構造的部分を参照すると、マスター装置２０はより特に、機械的遠隔操作装置が中立位置にある場合、接続リンク６０と実質的に正方形の構造を形成するように互いに相互接続される４つのマスターリンク２１、２２、２３、２４を備える。この中立（ニュートラルな）位置において、第１のマスターリンク２１は、第１のシャフト２６周囲の一端に枢動可能に接続され、第２のシャフト２７周囲の他端に枢動可能に接続されるように上方および接続リンク６０に対して垂直に延びる。第２のマスターリンク２２は、この第２のシャフト２７周囲の一端に枢動可能に接続され、第３のシャフト２８周囲の他端に枢動可能に接続されるように第１のマスターリンク２１に対して平行に延びる。図８に概略的に示す第３のマスターリンク２３は、この第３のシャフト２８周囲の一端に枢動可能に接続されるのに対して、第４のマスターリンク２４の一端は軸ジョイント２９を介して第３のマスターリンク２３の他端に接続され、それによりこの第４のマスターリンク２４は、その長手方向軸θ１（図１０）周囲で軸方向に回転可能であり、接続リンク６０に位置する開口を通して下方に延びる。機械的遠隔操作装置のハンドル３０は第４のマスターリンク２４の他端に接続される。
【００５７】
図１０をさらに参照すると、スレーブ装置１０は、より特に、遠隔操作装置が中立位置にある場合、接続リンク６０の長手方向軸θ６の延部と共に、実質的に正方形の構造を形成するように互いに相互接続される４つのスレーブリンク１１、１２、１３、１４を備える。第１のスレーブリンク１１は、第４のシャフト１６周囲の一端に枢動可能に接続され、第５のシャフト１７周囲の他端に枢動可能に接続されるように、上方および接続リンク６０に対して実質的に垂直に延びる。第２のスレーブリンク２２は、第５のシャフト１７周囲の一端に枢動可能に接続され、第５のシャフト１８周囲の他端に枢動可能に接続されるように、接続リンク６０の長手方向軸θ６の延部に対して前方および平行に延びる。図８に示す第３のスレーブリンク１３は第５のシャフト１８周囲の一端に枢動可能に接続されるのに対して、第４のスレーブリンク１４の一端は軸ジョイント１９を介して第４のスレーブリンク１４の他端に接続され、それによりこの第４のスレーブリンク１４は、その長手方向軸θ４周囲に軸方向に回転可能であり、下方に延びる。
【００５８】
第１の機械的伝達手段６１、６２、６３、６４の伝達６１は、マスタージョイント２６からスレーブジョイント１６まで動きを伝達するための剛性要素（図１０）である。第１の機械的伝達手段の機械的伝達６２、６３、６４は、マスター装置２０およびスリーブ装置１０に部分的に運動学的に一緒に接続するこれらの装置１０、２０の第１、第２、第３、第４および第５のシャフト２６、２７、２８、１６、１７、１８の各々の周囲で回転するように取り付けられるいくつかのプーリを備える。これらの第１の機械的伝達手段の構成についてのより詳細はさらに以下に提供される。
【００５９】
例えば図１０を参照すると、多間接エンドエフェクタ４０がスレーブ装置１０の遠位端に接続されるのに対して、ハンドル３０は機械的遠隔操作装置を操作するためにマスター装置２０の遠位端に接続され、外科医によりハンドル３０に適用される動作の振幅（大きさ）が、本明細書以下により詳細に説明するように、プーリが通るケーブルも備える第２の機械的伝達手段６５、６６、６７（図９）を介してエンドエフェクタ４０により所定の縮尺比で再現される。スレーブ装置１０とマスター装置２０との間の比は有益には、用途に応じて選択されてもよい。例えば、１：１だけでなく、遠隔操作の正確さおよびユーザのフィルタの震えを増加させるために２：１、３：１などもまた、使用されてもよい。１：２、１：３などの倍率も使用されてもよい。
【００６０】
図８を参照すると、遠隔操作装置のハンドル３０は、第１のハンドルジョイント３２を介して第４のマスターリンク２４の一端に接続される第１のハンドルリンク３１を備える。第１のハンドルリンク３１の回転軸は、第４のマスターリンク２４の長手方向軸θ１と実質的に垂直であり、交差する。ハンドル３０はさらに、第２のハンドルジョイント３５および第３のハンドルジョイント３６のそれぞれを介して一端において第１のハンドルリンク３１に接続される第２および第３のＬ字形状のリンク３３、３４を備え、第２のハンドルジョイント３５および第３のハンドルジョイント３６の軸は、互いに同一直線上にあり、第１のハンドルジョイント３２の軸に対して実質的に垂直である。
【００６１】
より特に図６を参照すると、このハンドル３０はさらに、第２のハンドルジョイント３５および第３のハンドルジョイント３６に対して同軸に取り付けられ、掌により保持され、第２のハンドルジョイント３５および第３のハンドルジョイント３６の軸と同一直線上であるその長手方向軸θｉ周囲で自由に回転するように構成される保持スティック３８を備える。第２および第３のＬ字形状のリンク３３、３４は各々、親指および人差し指の先端を受容するように構成されるそれらの他端において開口３３ａ、３４ａを備える。
【００６２】
図７に示したエンドエフェクタ４０は手術用ツールであり、図８の図において、第１のツールジョイント４２を介して第４のスレーブリンク１４の一端に接続される第１のツールリンク４１を備える。第１のツールリンク４１の回転軸は、第４のスレーブリンク１４の長手方向軸θ４と実質的に垂直であり、交差する。図７を参照すると、この手術用ツール４０はさらに、互いに同軸上に取り付けられる第２のツールジョイント４５および第３のツールジョイント６６のそれぞれを介して第１のツールリンク４１に接続される２つのブレード４３、４４を備える。ハンドル３０は、親指および人差し指の先端により第２のハンドルリンク３３および第３のハンドルリンク３４に適用される動作が２つのブレード４３、４４により再現されるように外科用ツールに運動学的に接続される。
【００６３】
手術用ツール４０は交換可能であり、スレーブ装置２０の遠位端に接続されるハサミ、外科用メス、カッター、ニードルホルダおよび他の付属品などのいくつかの種類であってもよい。患者の身体に侵入する外科用ツールは生体適合性があり、滅菌後に再利用可能である。使い捨て手術用ツールも使用されてもよい。
【００６４】
例えば図１１に示すように、ハンドル３０に適用される動作により、マスター装置２０のマスタージョイント２６、２７、２８、２９の動作が、直接機械的伝達（図９）および機械的制限手段３２により、スレーブ装置１０のスレーブジョイント１６、１７、１８、１９のそれぞれの動作を駆動させる。結果として、スレーブ装置１０の遠位端に接続される多関節外科用ツール４０はマスター装置２０のハンドル３０の同等の動作で動く。より一般的な方法において、スレーブ装置１０の対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９とのマスター装置２０のマスタージョイント２６、２７、２８、２９の各々の間の直接接続により、マスター装置２０のマスターリンク２１、２２、２３、２４の各々は、装置の空間的定位をより良く示す基準ベース１１０を各々備える、図１１〜１５に示した遠隔操作装置のアクティブ位置と独立してスレーブ装置１０の対応するスレーブリンク１１、１２、１３、１４に対して強制的に平行になる。
【００６５】
本発明の別の重要な特徴は、患者に実施される切開により課される制限と一致してスレーブ装置１０の遠位端の動作を制限するように構成される遠隔操作装置の機械的制限手段３２にある。図１０を参照すると、機械的制限手段３２は、機械的遠隔操作装置が作動中である場合、マスター装置２０の第４のマスターリンク２４が常にその長手方向軸θ１に沿って移動することを確実にするように構成され、それにより、スレーブ装置１０の対応するリンク１４は常に、遠隔操作に近接するこの第４のマスターリンク２４の長手方向軸θ１に対して平行である仮想軸θ４に沿って移動する。これらの制限手段３２はさらに、マスター装置２０の第４のマスターリンク２４が、その長手方向軸θ１周囲、ならびに互いに垂直である第２の軸θ２および第３の軸θ３周囲で回転できるように構成される。第４のマスターリンク２４の長手方向軸θ１ならびに前記第２の軸θ２および第３の軸θ３は、第４のマスターリンク２４の方向と独立して常に固定単一点３２’（図８、１０、１６ａおよび１６ｂ）において互いに交差する。図１１〜１５における遠隔操作装置の異なるアクティブ位置により示すように、この構成により、スレーブ装置１０の対応するリンク１４は、その長手方向軸θ４周囲、ならびに互いに対して垂直である第５の仮想軸θ５および第６の仮想軸θ６の周囲を回転できる。対応するリンク１４の長手方向軸θ４ならびに第５の仮想軸θ５および第６の仮想軸θ６は、遠隔操作部に近接した仮想固定単一点５０（図１０〜１５）と常に互いに交差する。低侵襲手術処置の間、仮想固定点５０は外科的切開点と一致し、患者に対する外傷を減少させ、手術の美容的結果を改善する。
【００６６】
図１６ａに示すように、機械的制限手段３２は線形ベアリング５１を備え、遠隔操作装置が作動中である場合、その線形ベアリング５１を通して、マスター装置２０の第４のマスターリンク２４は移動する。線形ベアリング５１は、線形ベアリング５１とケーシング５５との間で実質的に相対運動しないことを確実にするためにケーシング５５の内側に固定して取り付けられる。２つのラジアル軸受５２ａ、５２ｂの内側ケージは、その独自の長手方向軸θ１周囲のマスターリンク２５の回転を可能にするようにその端部に近接する線形ベアリング５１の外周に回転可能に取り付けられる。第１のロッド５６ａおよび第２のロッド５６ｂはマスター装置２０の接続リンク６０を介して横方向に取り付けられる。ロッド５６ａ、５６ｂの両方の一端は、ケーシング５５の両側に接続されるそれぞれのラジアル軸受５３、５３ｂの内側ケージを受容するように構成され、それにより、ロッド５６ａおよび５６ｂは図１０に示した遠隔操作装置の長手方向軸と交差する軸θ２周囲を回転でき、その軸θ２周囲でこの装置もまた、上記に説明したように回転でき、移動できる。
【００６７】
より一般的に、本発明に係る遠隔操作手術装置の第４のマスターリンク２４は、固定単一点３２’において互いに交差する三次元軸θ１、θ２、θ３周囲を回転でき、さらに図１０に特に示すように３つの軸θ１、θ２、θ３の１つに沿って移動できる。したがって、スレーブ装置１０の対応するリンク１５は、対応する軸θ１、θ２、θ３に平行であり、固定単一点５０にて互いに交差する３つの異なる軸θ４、θ５、θ６周囲を回転でき、これらの３つの異なる軸θ４、θ５、θ６の１つに沿ってさらに移動できる。
【００６８】
変形において、遠隔操作装置の機械的制限手段３２は図１６ｂに概略的に示した玉継ぎ手または球面継ぎ手を備える。貫通穴が玉継ぎ手７０の直径に沿って実施され、その玉継ぎ手に沿って、第４のマスターリンク２４が、必要に応じて線形ベアリング（図示せず）の内側にスライド可能に取り付けられる。この構造において、この第４のマスターリンク２４は、その長手方向軸θ１に沿って移動でき、玉の幾何学的中心と一致する単一点で互いに交差する、その長手方向軸θ１周囲ならびに第２の軸θ２および第３の軸θ３周囲をそのソケット内の玉の動作により回転できる。
【００６９】
本明細書以下で十分に説明する、この好ましい実施形態に係る遠隔操作装置の７段階の独立した自由度は、組織の引っ張り、切断および／または縫合などの複雑な外科手術を実施するのに必要とされる望ましい器用さを提供する。可能な限り直感的であることを目的として、マスター装置２０およびスレーブ装置１０の両方の遠位部の自由度は、連結式の手首および遠位ツールを備えた簡略化した人の前腕に似ているように設計される。例えば、図８を参照すると、手首の回内回外運動をスレーブ装置１０の第４の軸ジョイント１９を介して与えることができるのに対して、手首の半径方向−尺骨偏位を、遠位手術用ツール４０のジョイント４２を介して与えることができる。
【００７０】
機械的伝達手段は、マスター装置２０の駆動プーリＣｍからスレーブ装置１０の被駆動プーリＣｓまでの動作を伝達する一般的な場合に関して、スレーブ装置１０の高い自由度の各々の被駆動プーリが、図１７に示すように単一の閉鎖ケーブル／腱ループ伝達により、マスター２０装置の等価の駆動プーリに接続されるように構成される、部分的にプーリが通るフレキシブルな要素の形態である。この閉ケーブルループ伝達は、一対のケーブル、ＬａおよびＬｂにより構成され得、その両端は、ケーブルＬａ、ＬｂとプーリＣｍ、Ｃｓとの間の相対運動が発生しないことを確実にするために、それぞれ駆動プーリＣｍおよび被駆動プーリＣｓに固定される。ケーブルＬａ、Ｌｂの両方は、１つのプーリから他のプーリまで単一の閉ループＬを一緒に形成する。
【００７１】
この種類の機械的伝達を使用することによるマスター装置２０の各マスタープーリと、スレーブ装置１０の等価のスレーブプーリとの間の動作の伝達は、被駆動プーリと駆動プーリとの間の運動学的および動的接続の問題をもたらし得る。さらに、閉ループケーブル伝達の採用は、マスター装置２０の駆動プーリにより行われる動作とは関係なく、全ての可能なマスター−スレーブ構造に関して、ケーブルルートの全長が一定を維持されなければならないことを必要とする。したがって、ケーブルは、一定のケーブル長さを維持しながらジョイントアイドラプーリを通して送られてもよい。一般的なジョイントにより経路設定される閉ループＬを構成するケーブルＬａおよびＬｂの両方を有する一般的な場合に関して、使用されるケーブル経路設定法の基本を図１８に示す。ケーブルＬａおよびＬｂはプーリのセットの周囲を覆い、Ｉｍは「ジョイントアイドラプーリ」と呼ばれ、ジョイントの回転軸と同心である。閉ループの一定のケーブル長さを維持するために、ケーブルＬａ、Ｌｂは、いつでもジョイントアイドラプーリと接触したままでなければならない。したがって、ジョイント角θｊが減少する場合、アイドラプーリＩｍと接触するＬａの上側セグメントの長さは減少し、Ｌｂの下側セグメントは同じ値だけ増加し、ケーブル閉ループの一定の長さを保証する。ケーブルＬａおよびＬｂと、アイドラプーリＩｍとの間の恒久的な接触を維持するために補助プーリＡｐおよびＡｄが加えられる。
【００７２】
閉ループの一定のケーブル長さを維持するための別の解決策は、図１９に概略的に示したマスター装置およびスレーブ装置のそれぞれのアイドラプーリＩｍおよびＩｓと等価であるが、同じマスターまたはスレーブ装置においてジョイントレベルにない長さの変化を補償することからなる。この場合、ケーブルＬａ、Ｌｂの両方は、ＩｍおよびＩｓの下を通り、ジョイント角θｊ、θ’ｊが変化する場合、θｓの増／減がθｍの減／増により補償されるので、閉ループの一定の長さが保証される。
【００７３】
別の代替法は、単一の閉ループをいくつかの閉ループに分けることからなり、図２０に示すように中間のアイドラプーリを結合する閉ループのセットにより等価のマスターおよびスレーブの駆動および被駆動プーリを接続する。ケーブル、ベルト、鎖または他のフレキシブルな要素が閉ループに使用されてもよい。
【００７４】
伝達が主に関節連結に基づき、それによりシステムの高い剛性を保証できる、剛性要素を使用した解決策もまた利用されてもよい。図２１および２２は、２つの概して等価のマスターおよびスレーブのジョイントが４バーシステムのセットを使用して伝達される、２つの代替法を示す。
【００７５】
システムに対して、顕著な反動、さざ波および摩擦を引き起こすが、図２３に示したようなラックアンドピニオンを使用した機械的伝達もまた、一部の自由度に利用されてもよい。
【００７６】
ジョイント間の動作の伝達はまた、操作者を避けて通る、それらの間に連結されるいくつかの剛性伝達要素により構成される、接続されたロッドシステムによりなされてもよい（図２４）。
【００７７】
本発明の好ましい実施形態に係る機械的遠隔操作装置の各々の自由度に関して、同じ機能転帰を生じる異なる種類の機械的伝達が使用されてもよい。遠隔操作装置の８段階の自由度（それらのうちの１つは冗長であり、７段階の非冗長の自由度を生じる）の各々についての機械的伝達手段を図２５〜図３２に概略的に示す。
【００７８】
図２５に示すように、第１の自由度に関して、マスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達は接続リンク６０によりなされ、その回転軸はジョイント１６および２６の軸に垂直であり、交差する。より特には、図１０を参照すると、接続リンク６０は、遠隔操作装置の１つまたは２つの長手方向シャフト（図示せず）を受容するように構成される２つのラジアル玉軸受１５ａ、２５ａを備え、それにより前記装置は長手方向軸θ３／θ６周囲を回転できる。
【００７９】
第２の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を図１０および２６に示す。遠隔操作装置は、スレーブ装置１０の第１のスレーブリンク１１に対して一端において枢動可能に接続され、マスター装置２０の第１のマスターリンク２１に対して他端において枢動可能に接続されるバー６１を備え、第１のスレーブリンク１１およびマスターリンク２１の両方は、遠隔操作装置が作動する場合、互いに平行に移動する。
【００８０】
図２７は、第３の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を示す。ジョイント１７、２７は、第２のマスターリンク２２に接続され、マスター装置２０（図１０）の第２のシャフト２７周囲を回転するように配置される駆動プーリＣ１から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６２（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、回転軸がジョイント２７と一致しているスレーブ装置１０（図１０）の第５のシャフト１７周囲を回転するように配置される第２のスレーブリンク１２に接続される被駆動プーリＣ’１までガイドプーリｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４のセットを通る。
【００８１】
第４の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を図２８に示す。ジョイント１８、２８は、第３のマスターリンク２３（図８）に接続され、マスター装置２０の図１０の第３のシャフト２８周囲を回転するように配置される駆動プーリＣ２から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６３（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、第３のスレーブリンク１３（図８）に接続され、スレーブ装置１０（図１０）の第６のシャフト１８周囲を回転するように配置される被駆動プーリＣ’２までガイドプーリｐ５、ｐ６、ｐ７、ｐ８、ｐ９、ｐ１０のセットを通る。補助プーリＡ１が、ケーブル６３とガイドプーリｐ５、ｐ６、ｐ７、ｐ８、ｐ９、ｐ１０のセットとの間の恒久的接触を保証するために使用される。
【００８２】
図２９は、第５の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を示す。ジョイント１９、２９は、マスター装置の第４のマスターリンクに接続される同軸ジョイントＣ３から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６４（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、スレーブ装置の第４のスレーブリンク２４に接続される同軸ジョイントＣ’３までガイドプーリｐ１１、ｐ１２、ｐ１３、ｐ１４、ｐ１５、ｐ１６、ｐ１７およびｐ１８のセットを通る。補助プーリ、Ａ２、Ａ３は、ケーブル６４とガイドプーリｐ１１、ｐ１２、ｐ１３、ｐ１４、ｐ１５、ｐ１６、ｐ１７およびｐ１８との間の恒久的接触を保証するために使用される。
【００８３】
第６の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を図３０に示す。ジョイント３２、４２は、ハンドル３０の第１のハンドルリンク３１に接続される駆動プーリＣ４から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６５（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、エンドエフェクタ４０のエンドエフェクタリンク４１に接続される被駆動プーリＣ’４までガイドプーリｐ１９、ｐ２０、ｐ２１、ｐ２２、ｐ２３、およびｐ２４のセットを通る。補助プーリ、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７は、ケーブル６５とガイドプーリｐ１９、ｐ２０、ｐ２１、ｐ２２、ｐ２３、およびｐ２４のセットとの間の恒久的接触を保証するために使用される。
【００８４】
図３１は、第７の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を示す。ジョイント３４、３５は、ハンドル３０のハンドルリンク３３に接続される駆動プーリＣ５から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６６（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、エンドエフェクタ４０の第１のブレード４３に接続される被駆動プーリＣ’５までガイドプーリｐ２５、ｐ２６、ｐ２７、ｐ２８、ｐ２９、ｐ３０、ｐ３１、ｐ３２およびｐ３３のガイドプーリのセットを通る。補助プーリ、Ａ８、Ａ９、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２およびＡ１３は、ケーブル６６とガイドプーリｐ２５、ｐ２６、ｐ２７、ｐ２８、ｐ２９、ｐ３０、ｐ３１、ｐ３２、およびｐ３３のセットとの間の恒久的接触を保証するために使用される。
【００８５】
最後に、８段階の自由度についてのマスター装置とスレーブ装置との間の動作の伝達を図３２に示す。ジョイント３６、４６は、ハンドル３０のハンドルリンク３４に接続される駆動プーリＣ６から延びる単一の閉ループ構造においてケーブル６７（図９も参照のこと）により接続され、その単一の閉ループ構造は、エンドエフェクタ４０の第２のブレード４４に接続される被駆動プーリＣ’６までガイドプーリｐ３４、ｐ３５、ｐ３６、ｐ３７、ｐ３８、ｐ３９、ｐ４０、ｐ４１およびｐ４２のセットを通る。補助プーリ、Ａ１４、Ａ１５、Ａ１６、Ａ１７、Ａ１８、およびＡ１９は、ケーブル６７と、ガイドプーリｐ３４、ｐ３５、ｐ３６、ｐ３７、ｐ３８、ｐ３９、ｐ４０、ｐ４１およびｐ４２のセットとの間の恒久的接触を保証するために使用される。
【００８６】
同軸ジョイント２９および１９を通る場合、ケーブルはプーリを通過しないが、ジョイント軸周囲でねじれる。しかしながら、駆動プーリと被駆動プーリとの間のケーブル６４、６５および６６の長い長さ、およびケーブルと回転軸との間の短い距離に起因して、ケーブルの得られる伸びはわずかであるので、回転運動に対して生じる抵抗性はほぼ無視できる。ケーブルとガイドプーリとの間の結果として起こるずれもまた、合理的限界であり、ケーブルがそれらの経路から飛び出ることを回避する。
【００８７】
図３３に例示するように、スレーブ装置の遠位の自由度が遠隔操作装置の近位部から取り外し可能９０である場合、ケーブルループ６４、６５および６６の各々１つはまた、２つのケーブルループに分けられてもよい。このように、２つのケーブルＬａ、Ｌｂ（図３３ａ）により構成される駆動プーリＣａから被駆動プーリＣｂまでの単一のケーブルループの代わりに、動作は２つのケーブルループにより伝達される：図３３ｂに示すように、１つはＣａからＣｃ、ループＬ、および他方はＣｃからＣｂ、ループＬ’。
【００８８】
マスターおよびスレーブのマニピュレータの運動学的モデルはまた、同じ作動原理を維持する、異なる構造および異なる数の自由度をとってもよい。図３４および３５は、異なる伝達レイアウトを生じさせ得る、マスター装置およびスレーブ装置の両方についての一部の他の可能な運動学的構造を示す。
【００８９】
一部の実施形態において、図３６に示すように、遠隔操作の触覚的透明性を増加させるために遠隔操作装置に対する重力の作用を減少または排除するために、マスターリンクおよびスレーブリンクを対応するマスタージョイントおよびスレーブジョイントと接続するためにトーションバネ１６ａ、１７ａ、１８ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａが遠隔操作装置に取り付けられる。
【００９０】
一部の実施形態において、図３７に示すように、カウンターウェイト１６ａ、１７ａ、１８ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａが、マスター装置およびスレーブ装置の一部のリンクに接続され、スレーブ装置およびマスター装置の各々の全ての質量中心が、第１の２つの自由度の軸の間の交差点１６、２６付近の領域にもたらされる。
【００９１】
一部の実施形態において、機械的遠隔操作装置は機械的制限３２の４つのジョイントにおいてブレーキ手段を備え、外科医がハンドルを保持しない場合、遠隔マニピュレータがその作動空間のいくつかの位置で固定され得る。
【００９２】
一部の実施形態において、機械的遠隔操作装置は、遠隔操作装置全体の動作の再構成を可能にするために動作リンクに与えられる力を測定できる力センサおよび／または異なるジョイントの動作を測定できる位置センサを備える。
【００９３】
本発明に係る機械的遠隔操作装置は低侵襲性外科手術を実施すために記載されているが、それはまた、内視鏡手術および開胸手術またはＭＲｉ適合性材料を使用することによるＭＲｉ環境における処置の他の形態のために使用されてもよい。眼科、脳外科手術、整形外科および歯科のような分野もまた、本発明の標的であってもよい。
【００９４】
本発明に係る機械的遠隔操作装置はまた、アセンブリ操作、狭い場所での操作、危険または困難な環境での操作、および汚染または清浄環境での操作のような高い剛性、正確性および質のフィードバックを有する器用な操作を必要とする任意の適切な遠隔作動用途に利用されてもよい。この構造において、手術用ツールは適切な多間接型の保持部または把持部と置き換えられる。
【００９５】
さらに、本発明は、特にその好ましい実施形態を参照して示し、記載されているが、形態および詳細の種々の変更が添付の特許請求の範囲により規定される本発明の精神および範囲から逸脱せずに本発明になされてもよいことは当業者により理解されるであろう。例えば、誘導されるマスターリンクの長手方向軸θ１ならびに第２および第３の軸θ２、θ３が固定単一点で互いに交差する場合、第２および第３の軸θ２、θ３（その周囲で誘導されるマスターリンクが回転できる）は互いに垂直であることは必ずしも必要ではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３３ａ】
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【図３３ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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